文 | 劉若琪 陳金章 國 洋

導語：

近年來，我國的機場建設方興未艾。據悉，到2020年全國運輸機場的總數將達到260個。在已建成的機場中，絕大部分采用了水泥混凝土跑道的設計方案。但是隨著航空量和重載飛機數量的增長，越來越多的水泥混凝土道面不僅沒能體現出優良的性能，反而表現出維修養護困難等缺點。

一些研究和實踐證明，白改黑加鋪方案是滿足機場不停航要求下的最佳解決方案。

01 引言

機場由平行滑行道、聯絡道、跑道等部分組成，其中供飛機起飛、著陸、滑行及維修、停放的坪道，應具有一定的強度、平坦度、粗糙度和穩定性，以保證飛機起降的安全[1]。截至2015年底，我國民用機場數量已經超過200個，其中95%的新建、改建及老機場跑道采用強度高、穩定性好、耐久性好、有利于夜間及不良天氣狀況起降的水泥混凝土道面。

隨著航空量的增長和重載飛機的出現，越來越多的水泥混凝土道面不僅沒能體現出優良的性能，反而出現維修養護困難等缺點，已不能滿足民航飛行要求。實踐證明，白改黑加鋪方案是滿足不停航要求下的最佳解決方案。本文通過調研大量國內外相關研究資料，對目前國內外機場瀝青道面結構的設計方法進行總結和評述，并結合中國現有民用機場瀝青道面設計，詳細地分析各種設計理論和規范指標，對現有設計方法中存在的問題進行探討。

02 設計方法現狀

國際上瀝青混凝土加鋪層的設計方法有很多，包括美國陸軍工程兵在設計時采用的CBR法、美國地瀝青學會（AI）出版的適用于運輸機的機場全厚度瀝青道面設計規范、美國聯邦航空局基于CBR法提出的FAA法[2]。以上方法都為經驗法，其他還有基于彈性層狀體系和數值分析等方法，形成的力學-經驗法。隨著高速計算機的發展，越來越多的學者將有限元法應用到機場道面的設計中。中國現行的機場瀝青道面設計規范是按照美國機場瀝青道面經驗設計法的框架，并借鑒日本機場和中國道路的設計方法及經驗積累完成的，缺乏大的足尺試驗和深入的理論分析，并且在機場瀝青道面的修筑和使用等方面缺乏工程經驗的有效指導。根據中國機場道面的實際情況，加鋪結構存在輪轍、裂縫、推移等病害問題（圖1），阻礙了我國機場瀝青道面結構的設計與應用。

圖1 機場跑道病害

機場道面結構設計目前仍然存在很多問題，缺乏科學的設計控制指標和參數以及完整的設計方法體系。

03 設計方法

國際上民用機場瀝青混凝土道面的設計方法可分為經驗法和力學-經驗法，具體的瀝青道面設計方法見圖2[3]。

經驗 法

經驗法主要通過對試驗路的連續觀測、試驗或借鑒道路的修筑經驗，建立道面結構、荷載軸載及路面性能三者間的經驗關系。國際上設計瀝青道面采用的經驗法主要以CBR法為代表，該方法是以CBR值作為路基土和路面材料（主要是粒料）的參數性能指標，以土基的抗剪強度作為設計指標，控制土基變形以及道面輪轍等損壞模式。通過足尺試驗或現有道面的調查，建立起“CBR-輪載作用次數-路面結構層厚度”三者的經驗關系。利用不同飛機起落架構型的關系曲線，按當量飛機年作用次數和土基的CBR值，確定道面的總厚度及其結構層的厚度[4]。機場瀝青混凝土道面經驗法設計流程如圖3所示。

力學 -經驗法

圖2 瀝青道面設計方法

力學-經驗法主要是以彈性層狀體系理論作為理論模型。在該理論模型中，主要的設計參數為泊松比和彈性模量，而主要的設計控制指標為瀝青層底面的水平拉應變和土基頂面的豎向壓應變，分別控制土基的永久變形和瀝青混凝土的疲勞開裂。機場瀝青混凝土道面力學-經驗法設計流程見圖4。隨著當前道面設計技術的進一步發展，試驗與有限元分析相結合的方法開始應用于機場瀝青混凝土道面的設計，也取得了良好的使用效果。在該方法中，將道面結構離散成許多小單元，通過數值模擬計算求解傳統彈性層狀體系方法無法考慮的材料非線性、幾何非線形等復雜特性，這是有限元分析的主要思想[5]。

兩種設計方法的對比

圖3 機場瀝青混凝土道面經驗法設計流程

圖4 機場瀝青混凝土道面力學-經驗法設計流程

經驗法的設計理論與技術已經相對成熟，而且無需設計過多的參數，是國外機場瀝青道面設計中采用最多的方法；但經驗法依靠足尺試驗數據統計分析，存在局限性。CBR設計方法是公路道面設計結合試驗研究，然后改進成為適合飛機交通荷載和機輪構型的機場道面設計方法。但是，由于環境的差異，加之飛機荷載變化和機型的快速發展、新材料的不斷使用，基礎試驗之外的數據需通過外延等手段獲得，經驗法結論的代表性與可靠性受到質疑。此外，CBR值主要表征土基的抗剪強度，隨著飛機荷載軸重和次數的攀升，經驗法主要反映的道面土基破壞的單一損壞模式，并不能確保道面的疲勞開裂、溫度開裂以及道面結構的其他損壞，不足之處開始顯現。傳統的力學-經驗法能夠表征由于荷載和溫度變化引起的結構層疲勞開裂，并計算基層穩定材料的厚度，能夠彌補CBR經驗法的不足[6-7]。

04 國內外設計方法評析

機場道面設計方法是一個復雜的系統理論，國內外機場道面研究人員其進行了長期研究，積累了大量的試驗數據資料，并取得了較豐富的研究成果。通過調研國內外有代表性的機場道面設計方法，可知各個國家或地方針對本區域的氣候地質條件、工程建設特點、交通荷載情況、瀝青道面結構組合以及道面材料類型，進行了大的室內足尺試驗和現場測試，建立了具有自身特色的道面結構設計方法。

混合交通組成

由于不同機型飛機起落架幾何構型差異較大，對道面的力學作用也不盡相同，機場道面設計時需要考慮混合交通和不同起落架構型的影響。表1列出了幾個國家機場的混合交通考慮方式。

考慮混合機型交通組合，是根據各種飛機機型及不同類型的起落架在道面上產生的疲勞等效原則，將各種機型的實際運行架次轉換成設計飛機的當量年作用次數。道面結構是一種多層體系，各結構層具有不同的材料和力學特性，起落架荷載對道面各結構層會產生不同的疲勞效應，道面加鋪層受起落架產生的荷載疊加疲勞效應十分明顯。采用單一轉換系數不能完全反映道面實際，應充分考慮多個主起落架之間的相互作用。基于累積損傷原理的新方法（CDF）是以 Miner 定律為理論基礎，將不同飛機荷載對道面產生的疲勞損傷進行線性疊加，以累積的疲勞損傷程度（CDF是否等于1）來判定道面是否達到疲勞損壞狀態，這種設計方法不僅避免了不同飛機與設計飛機之間的換算，而且可以考慮材料參數隨時間的衰變規律，因而與傳統的設計飛機法相比更加準確合理。

多輪起落架荷載

各種飛機的主起落架通常由多個機輪組成，多輪荷載對道面結構產生的力學響應量與單輪荷載有較大差別，設計時需考慮多輪荷載的當量單輪化。單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪、雙軸單輪、三軸雙輪及復合型等構型是現有常用的主起落架構型，B737-200、B747-400、B777-200LR主起落架構型如圖5所示。我國機場瀝青道面設計規范中均采用土基頂面的彎沉等效原則，將多輪荷載轉換成當量單輪荷載。多輪荷載當量單輪化是假定當量單輪與多輪裝置所有機輪具有相同的接觸面積，在到達道面結構一定深度處兩者產生等效的力學響應量。許多設計方法都是基于土基頂面彎沉等效的原則將多輪荷載當量單輪化；然而由大量試驗觀測分析可知，隨著離輪子中心線距離的增加，土基頂面彎沉的衰減速率比土基頂面豎直應力、豎直應變和剪應力的慢，因此基于彎沉等效進行計算就夸大了輪子之間荷載相互影響對道面結構造成的損壞。另外，道面結構的損壞（開裂和車轍等）主要是由應力和應變控制的，而不能僅通過彎沉來表征。因此，根據實踐分析該種理論仍有不足，需要在實踐中不斷地完善。

輪跡橫向分布

在實際情況下，當飛機在機場道面上運行時，其中心線與跑道或者滑行道中心線有一定的橫向偏離，而機場道面橫斷面上各點實際受到的輪荷重復作用次數并不等于設計飛機的實際運行次數。因此，在對機場瀝青混凝土道面的實際設計中需要對飛機輪載的輪跡橫向作用分布進行仔細考慮，從而取得更加經濟、科學、合理的道面設計厚度。

表1 機場混合交通組成對比分析

圖5 常用飛機起落架構型

環境氣候因素

機場道面大多直接暴露在大氣環境之下，環境中的干濕、冷熱和凍融都對道面產生一定的作用，因此道面設計中需考慮周圍環境因素的影響。許多機場的道面設計考慮了凍融深度的影響，明確最小防凍厚度，但實際情況表明，高溫多雨地區的輪轍病害非常嚴重，因此降雨、濕度、高溫等條件的影響亦不可忽視，還需要在未來的設計實踐中不斷完善。

05 展望

（1）目前機場道面設計方法主要分為經驗法和經驗-力學法，兩者相比，經驗-力學法更適于實際應用。

（2）在道面結構設計中，從多輪荷載當量單輪化考慮，建議采用基于土基頂面受剪破壞等效的原則進行荷載換算；采用累積損傷法能夠考慮不同機型對道面產生的疲勞損傷；對于輪跡橫向分布計算，在考慮道面荷載統計分布規律的基礎上，還要考慮在相同荷載作用下道面結構的總厚度差異、產生的損傷折減值不同等特性。

（3）機場道面設計方法都屬于定值設計方法，無法考慮各項參數的隨機變異性。在以后的設計中，可以考慮引入概率統計理論，兼顧各個參數概率分布和變異特性，嘗試建立基于可靠度的設計方法，從而更加準確地反映現場實際。

（4）加鋪結構設計中，還需要結合當地環境溫度、濕度、飛機荷載、不同區域行駛條件等因素，并且應將跑道設計與處于高溫、重載、低速耦合作用下的平行滑行道和聯絡道區別開。

參考文獻：

[1] 尹向東.機場跑道水泥道面加鋪瀝青混凝土防反射裂縫方法概論[J].四川建筑科學研究,2014(5):238-240.

[2] 張 晗.水泥混凝土機場跑道瀝青加鋪層性能研究[D].南京:東南大學, 2016.

[3] 席稱心,陳 磊.中美機場瀝青混凝土道面設計方法對比分析[J].華東公路,2014(2):53-55.

[4] 劉 文,凌建明,趙鴻鐸.民用機場瀝青混凝土道面設計方法綜述[J].中國民航大學學報,2006,24(4):43-47.

[5] 林小平.復雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結構設計理論與方法[D].上海:同濟大學,2007.

[6] 劉 文.機場瀝青道面設計指標及方法研究[D].上海:同濟大學,2008.

[7] 湯 豆.基于典型病害的機場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結構研究[D].西安:長安大學,2016.